验证牛顿第二定律实验中的三个“为什么”

1、验证牛顿第二定律实验中的三个“为什么” 验证牛顿第二定律实验（装置见图1）一直是高考的重点和难点，几乎每年的高考试题中都有涉及，对于本实验的目的和实验采用的控制变量法，学生容易理解，但对于一些实验的条件和实验图象分析，学生颇感困惑，本文将针对该实验中学生困惑的的几个问题展开讨论，以期给大家的学习带来些许帮助.1 为什么要平衡摩擦？怎样平衡摩擦？ 本实验研究的对象是小车，当小车在水平长木板上运动，小车受到重力g、支持力fn、绳子的拉力t和轨道的摩擦力f，小车受到的合力f=t-f.小车受到的摩擦力将给本实验带来很多不便，其一：要测量合力f，既要知道t，还要知道f，或者说要知道物体和轨道间的，而且小

2、车质量变化时，还须考虑f的改变，所以f的存在，导致实验中需要测量更多物理量；其二，本实验通过改变拉力t来改变f，由于f的出现，即便t扩大为原来的2倍，f也不是原来2倍，这将给实验数据的选取带来麻烦.那么怎样才能消除摩擦力带来的这些不便呢？ 如果把长木板由水平变为倾斜，小车在斜面方向受到拉力t，重力的分力mgsin，和摩擦力f，合力f=t+mgsin-f，尽管多出了重力的分力，但如果重力的分力和摩擦力相等，则两力相互抵消，这样就可以说平衡了摩擦，小车受到的合力f等于拉力t，从而消除摩擦力的影响.在实验过程中，究竟怎样才算平衡掉摩擦呢？方法是：断开小车和小桶的连接，给小车一个初速度，让小车带动纸带

3、运动，如果打点计时器在纸带上打出点子分布均匀，即小车做匀速运动，即可认为平衡了摩擦力.即使小车质量发生改变，重力分力和小车受到的摩擦力都改变，但二者仍然相等，不须再次平衡摩擦.2 为什么小车质量要远大于小桶和砝码的质量？ 本实验中，通过改变砝码和小桶的总质量m来改变小车受到的合外力，在平衡摩擦力后，小车受到的合外力f就等于小车受到的拉力t，实验中我们认为绳子的拉力t就等于砝码和小桶的重力mg，所以小车受到的合外力f=mg.f和mg两者真的相等吗？其实不然，现分析如下：由于小车和小桶构成连接体，二者一起做匀加速运动，且加速度大小相等都为a，现设小车的质量为m，对小车和小桶分别列牛顿第二定律的方程

4、，有 物理学离不开实验，实验是物理学必不可少的重要组成部分.物理实验不仅是训练学生实验技能的一个方面，同时也是学生认识、学习和研究事物的有效方法.人教版高中物理课本中的“做一做”栏目，虽然是扩展性的内容且大多是开放性的，并没有统一的要求，很容易被老师和学生忽略，但是动手做一做这些小实验对培养学生的动手、观察、思考、创新能力大有好处，也有助于更好地理解相关知识，提高学生的物理素养.我们在教学过程中要根据学校条件和具体情况，不仅要去做一做，更要想一想这些小实验所蕴含的大学问.1 小实验可激发学习物理的兴趣与求知欲 有些课后小实验做起来很简单，也很有趣，老师可有选择的让学生在课堂上做一做，课后去查一

5、查，不仅能提高学生学习的兴趣，也能了解许多课本上没有的知识，拓宽视野.例如：必修1“看看你反应的时间”、 必修2“显示曲线运动速度方向的飞镖”、选修3-1中“ 旋转的液体”、选修选修3-4的“水流导光”、选修3-5“观察放手后气球的运动（反冲）”及“反冲现象的演示”等等.在老师指导下，学生完成这些小实验，不仅让学生对相关现象有了进一步的认识，还有效地激发学生的好奇心和求知欲. 其中“水流导光”这个实验很有意思，很神奇，它可用全反射的知识解释.但是我们对此实验又了解多少呢？通过学生查阅资料发现：该实验早在1870年的一天，英国物理学家丁达尔到皇家学会的演讲厅讲光的全反射原理，他就做这个简单的实验

6、：在装满水的木桶上钻个孔，然后用灯从桶上边 小车受到合力f应小于砝码和小桶的重力，因为实验中却把小桶和砝码的重力看作小车受到的合力，所以导致实验存在系统误差. 但是当mm时，这样实验误差会更小. 因此，为了进一步减小实验误差，要求小车质量应远大于砝码和小桶质量.3 为什么实验作出的a-f或a-1m图象会弯曲？ 本实验采用控制变量法，（1）保持小车质量不变，研究加速度与合外力关系，（2）再保持小桶和砝码质量不变，研究加速度与质量关系.对于a与f关系的研究，用打点计时器测出小车加速度a，测出砝码和小桶质量m，则f=mg，改变砝码和小桶的质量，可得到不同的加速度，利用多组（a，f）数据作出a-f图象

7、，如果图象是一条过原点的倾斜直线，则可以证明，加速度与合外力成正比，但实际上作出的图象会有些弯曲，这是什么原因呢？ 我们不难发现：a-f图象的纵坐标f并不是小车受到的合力，而是砝码和小桶的重力mg，所以a-f图象其实就是a-mg图象，我们从上述分析中可知：小车的加速度 a=mm+mg=1m+mmg，所以随着m的增大，a-f图象的斜率1m+m将不断减小，图象会向下弯曲，见图2.当然对于图象前一部分，由于m较小，即便m变化，且斜率变化较小，可近似看作直线，但当m较大时，其斜率将发生较大变化，图象的弯曲将比较明显. 对于a与m关系的研究，保持砝码和小桶质量m不变，通过增减砝码，改变m，用打点计时器测出a，为了验证a与m成反比，在作图时，不是作a-m图，而是a-1m图，如果做出的a-1m图象为倾斜的直线，则能说明a与m成反比，我们仍借用上述加速度表达式作进一步分析： a=mm+mg=mmgm+m1m，可见a-1m图象上各点的斜率为mmgm+m，不难看出：当m不变时，m越小即1m越大，对应的斜率变小，所以作出的a-1m图象也会向下弯